mini bobina de tesla: uma proposta didática de atividade
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UNIVERSIDADE DO PORTO
FACULDADE DE CIÊNCIAS
MESTRADO EM ENSINO DE FÍSICA E DE QUÍMICA NO 3º CICLO DO ENSINO BÁSICO E
NO ENSINO SECUNDÁRIO
Mini bobina de Tesla: uma proposta didática de atividade experimental para o Ensino
Secundário
RELATÓRIO DE ESTÁGIO – COMPONENTE DE FÍSICA
Orientador: Professor Doutor Paulo Simeão de Oliveira Ferreira de Carvalho
Aline Patriota Pereira
UP201801652
2020
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“Se você quiser descobrir os segredos do Universo, pense em termos de energia, frequência e
vibração.”
Nikola Tesla
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Resumo
Trazendo uma proposta de atividade experimental para o ensino secundário, especificamente para o
10º ano, o trabalho apresenta um projeto didático para a construção de uma mini bobina de Tesla e
seu uso demonstrativo para transmitir energia elétrica sem fios, acendendo uma lâmpada fluorescente
e na demonstração da gaiola de Faraday. Objetiva indicar uma forma de introduzir conceitos de
Eletricidade e Eletromagnetismo de forma qualitativa para estimular a curiosidade e o instinto
científico nos alunos.
Palavras-chave: Mini bobina de Tesla. Eletromagnetismo. Ensino secundário.
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Índice
Noções básicas de eletromagnetismo
Eletricidade
Magnetismo
Eletromagnetismo
Bobina de Tesla
Mini bobina de Tesla
Enquadramento didático-curricular
Proposta de prática em contexto escolar
Construção da mini bobina de Tesla
Roteiro da atividade
Conclusões
Referências bibliográficas
Apêndices
05
05
06
07
09
10
13
14
16
18
20
21
22
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Noções básicas de eletromagnetismo
Os conceitos físicos que explicam o funcionamento da mini bobina de Tesla fazem parte do
ensino do Eletromagnetismo, área que estuda os fenômenos associados aos campos elétricos e
magnéticos. Ao estudar Eletricidade, Magnetismo e Eletromagnetismo, a partir dos autores Halliday,
Resnick. (2008) e Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. (2005).
A carga elétrica (q) é uma propriedade intrínseca das partículas fundamentais. Geralmente um
átomo possui a mesma quantidade de cargas positivas e negativas, por isso há um equilíbrio e a carga
total é zero. Quando um átomo ganha ou perde um eletrão, a quantidade de tipos de cargas passa a
ser diferente, o átomo que inicialmente era eletricamente neutro, passa a ter uma carga elétrica
associada, essa carga é quantizada pela quantidade (n) de eletrões alterada multiplicada pela unidade
fundamental de carga elétrica (e):
𝑒 = 1,602.10−19𝐶 (1)
𝑞 = 𝑛. 𝑒 (2)
Chamamos de condutores os materiais em que as cargas elétricas se movem com facilidade e
não-condutores (isoladores), os materiais nos quais as cargas não se movem com facilidade. E
semicondutores, os materiais com condutividade intermédia entre os condutores e os isoladores. Já
os supercondutores são materiais onde as cargas elétricas se movem sem encontrar nenhuma
resistência.
Campo elétrico (→𝐸
) é um campo vetorial, em que há uma distribuição de vetores para cada
ponto em torno do objeto eletricamente carregado. O campo elétrico de uma partícula (átomo,
molécula, …) eletricamente carregada é "sentido” por outra partícula, afetando a partícula sem haver
um contato direto. É definido pela força eletrostática (→𝐹
) que age sobre a carga (q):
→𝐸
=→𝐹
𝑞
(3)
Corrente elétrica (i) é a taxa de variação com o tempo da carga (q) que passa por um ponto ou
região do espaço. Por convenção, o sentido da corrente elétrica é dado pelo sentido que as cargas
positivas se moveriam:
6
𝑖 =𝑑𝑞
𝑑𝑡
(4)
A corrente elétrica pode ser de dois tipos: corrente contínua (DC), que permanece constante
ao longo do tempo; ou corrente alternada (AC), em que a corrente elétrica varia de sentido no tempo.
Há alguns métodos de transformar uma corrente contínua em uma alternada e vice-versa. A corrente
alternada foi melhorada e inovada pelo Nikola Tesla, e é o tipo de corrente utilizada na bobina que é
alvo de estudo neste relatório.
Quando aplicamos uma diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor e
medimos a corrente elétrica (i) resultante, o quociente dos valores dessas grandezas físicas permite
obter o valor da resistência elétrica (R) do condutor:
𝑅 =𝑉
𝑖
(5)
Um condutor introduz certa resistência no circuito é chamado de resistor. Numa certa
diferença de potencial, quanto maior a resistência menor a corrente elétrica.
Para haver um movimento de cargas num circuito elétrico é necessária uma diferença de
potencial entre as extremidades do condutor, para isso ser constante é utilizada uma fonte de tensão,
responsável por produzir uma força eletromotriz. A força eletromotriz (𝜀) é dada pelo trabalho (W)
realizado pela fonte para transportar uma carga elétrica (q) de um terminal ao outro:
𝜀 =𝑑𝑊
𝑑𝑞
(6)
Os campos magnéticos (𝐵) podem ser produzidos utilizando partículas eletricamente
carregadas em movimento. Por exemplo, pode-se produzir um eletroíman, construindo um
enrolamento de fio condutor em torno de um prego ou cilindro magnetizável e fazendo passar corrente
nesse fio. Ou pode-se produzir um íman permanente com o campo magnético intrínsico das partículas
elementares. O valor do campo magnético pode ser determinado a partir da força magnética (𝐹𝐵)
exercida sobre uma partícula de prova carregada eletricamente (q) e em movimento (v):
B =𝐹𝐵
ȁ𝑞ȁ𝑣
(7)
7
A força magnética que age sobre uma partícula carregada que se move com velocidade na
presença de um campo magnético é sempre perpendicular à velocidade e ao campo magnético. A
unidade do campo magnético no sistema internacional é o tesla (T).
Todos os aparelhos capazes de transformar outras formas de energia em energia elétrica são
classificados como fontes de energia elétrica, ou seja, são geradores de campo elétrico. Para gerar
energia elétrica há duas formas, fazendo variar o campo magnético ou usando a processos onde há
separação de cargas.
No caso de gerar energia elétrica a partir do uso de um campo magnético é necessário que o
campo magnético varie no tempo, assim gera um campo elétrico que agindo sobre os eletrões livres
do circuito produz uma corrente elétrica. Sendo explicado de acordo com a lei de Faraday, onde a
força eletromotriz (𝜀) induzida sobre o circuito é igual a variação do fluxo de campo magnético (𝛷𝐵):
𝜀 = − 𝑑𝛷𝐵
𝑑𝑡
(8)
O fluxo de campo magnético é a quantidade total de campo magnético que atravessa uma
determinada área e é dado por:
𝛷𝐵 = න𝐵→ .
𝑑𝐴ሱሮ
(9)
Também é possível conseguir a variação temporal de um campo magnético quando há um
campo magnético em torno de um fio com corrente e essa corrente é ligada e desligada, produzindo
campos magnéticos que variam no tempo.
No caso de um campo magnético produzido por uma corrente em uma bobina helicoidal
formada por espiras circulares muito próximas, onde o comprimento da bobina é muito maior do que
o diâmetro do fio, o campo magnético no interior da bobina é a soma vetorial dos campos produzidos
pelas espiras. A bobina se comporta magneticamente como um fio retilíneo enquanto as linhas de
campo do campo magnético são círculos quase concêntricos (figura 1).
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Figura 1: Espiras de uma bobina com as linhas de campo magnético associado.
Fonte: Halliday, Resnick. (2008).
A força eletromotriz total induzida na bobina é dada por:
𝜀 = −𝑁 𝑑𝛷𝐵
𝑑𝑡
(10)
onde N é o número de espiras.
Na prática, para aumentar a força eletromotriz do sistema pode se colocar um número
máximo de espiras possíveis. A corrente induzida em uma espira segue um sentido onde o campo
magnético produzido pela corrente se opões ao campo magnético que induz a corrente, esse
conceito é conhecido como lei de Lenz.
O campo magnético criado pelo condutor percorrido por uma corrente pode ser calculado pela
lei de Biot-Savart. A derivada 𝑑 →𝐵
do campo magnético em um ponto gerado por um elemento de
corrente 𝑖𝑑 →𝑠
em uma distância (r) do ponto é dada pela expressão:
𝑑 →𝐵
=𝜇0
4𝜋
𝑖𝑑 →𝑠
𝑥𝑟^
𝑟2
(11)
O campo eletromagnético é um conceito físico que inclui o campo elétrico e o campo
magnético variando no tempo. As ondas eletromagnéticas são produto da formação do campo
eletromagnético. Maxwell descreveu os fenómenos eletromagnéticos em suas quatro equações,
juntamente com a lei de Faraday.
Lei de Faraday: 𝜀 =𝑑𝛷𝑚
𝑑𝑡 , força de origem eletromagnética que causa movimento nos iões
e nos eletrões livres.
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Equações de Maxwell
James Clerk Maxwell unificou as leis de eletromagnetismo em 4 equações. Apoiado nas
descobertas anteriores, descreve o modo como os campos elétrico e magnético são produzidos por
distribuição de carga e correntes elétricas, mencionadas na tabela 1.
Lei de Gauss para a
eletricidade ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝐴=
𝑞𝑒𝑛𝑣
𝐸0
Relaciona o fluxo elétrico às cargas
elétricas envolvidas
Lei de Gauss para o
magnetismo
∮ →𝐵
. 𝑑 →𝐴
= 0 Relaciona o fluxo magnético às cargas
magnéticas envolvidas
Lei de Faraday ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝑠=
𝑑𝛷𝑠
𝑑𝑡
Relaciona o campo elétrico induzido à
variação do fluxo magnético
Lei de Ampére-Maxwell ∮ →
𝐸. 𝑑 →
𝑠= 𝜇0𝜀0
𝑑𝛷𝑠
𝑑𝑡+ 𝜇0𝑖𝑒𝑛𝑣
Relaciona o campo magnético induzido
à variação do fluxo elétrico à corrente
*supondo que não há materiais dielétricos ou magnéticos.
Tabela 1: Equações de Maxell.
Bobina de Tesla
A bobina de Tesla funciona como um transformador, ou seja, um instrumento que modifica
os níveis de tensão, aumentando, e corrente elétrica, diminuindo, e mantendo a potência quase
constante. Capaz de gerar uma tensão muito alta com grande simplicidade de construção, provocando
descargas elétricas.
Inventada pelo Nikola Tesla, em 1891, com a ideia de distribuir energia elétrica no mundo,
tem posição de destaque na história da eletricidade. Já teve uso em transmissores de rádios primitivos,
dispositivos de eletroterapia, geradores de alta tensão e, atualmente, como demonstração sobre
eletricidade em alta tensão.
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Figura 2: Tesla e a bobina.
Fonte: https://oengenhosoeu.blogspot.com/2015/07/bobina-de-tesla.html
Conforme Duarte (2019), consiste em um transformador ressonante que produz altas
voltagens a partir de correntes elétricas alternadas de altas frequências. Formada por uma fonte de
alta tensão ligada a rede elétrica com um centelhador, um capacitor, uma bobina primária e uma
bobina secundária com conexão à terra. A fonte carrega o capacitor, que envia tensão para o
centelhador, que descarrega sobre a bobina primária. A energia oscila com baixa tensão e alta corrente
na bobina primária e é transferida à bobina secundária que apresenta oscilação de baixa corrente e
alta tensão, produzindo descargas elétricas no topo.
Mini bobina de Tesla
A proposta didática deste trabalho é de constituição de uma mini bobina de Tesla. Neste caso,
a mini bobina de Tesla é formada por uma bateria, um interruptor, um transístor, um resistor, uma
bobina primária e uma bobina secundária, de fácil construção e funcionando de modo seguro para o
utilizador. Também há outras montagens para mini bobina de Tesla, mas o modelo escolhido para tal
atividade utiliza os componentes citados. Pode ser usada como um instrumento no ensino de
eletromagnetismo, trazendo interesse e curiosidade aos fenómenos eletromagnéticos.
Com uma mini bobina de Tesla, é possível acender uma lâmpada fluorescente a uma pequena
distância da bobina, sem esta estar conectada a qualquer circuito. A proposta da mini bobina consiste
no circuito mostrado na figura 3, funcionando como um oscilador eletromagnético.
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Figura 3: circuito da mini bobina de Tesla
Fonte: autoria própria
Seguindo o modelo apresentado, as funcionalidades dos elementos do circuito serão:
• Fonte de alimentação (pilha): fornece energia para o circuito.
• Interruptor: é um dispositivo utilizado para ligar ou desligar o circuito da mini bobina.
• Resistor (resistência): é um dispositivo utilizado para limitar a corrente elétrica em um
circuito. Por meio do efeito joule, ocorre no resistor uma transformação de energia elétrica
em energia térmica, que se liberta como calor. O resistor regula o fluxo de corrente elétrica
entre os pontos A e B do circuito.
• Transístor: é um dispositivo semicondutor, no caso é um transístor bipolar de junção composto
por junções NPN (negativo-positivo-negativo), funcionando como uma fonte de corrente
controlada por corrente, onde uma corrente aplicada a dos terminais do transístor controla a
corrente através dos outros terminais.
• Bobina: é um componente eletrônico que armazena energia em forma de campo magnético.
A mini bobina consiste em dois circuitos ressonantes, com frequências de ressonâncias muito
próximas ou iguais, para ter a máxima transferência de energia da bobina primária para a bobina
secundária, seguindo o mesmo princípio dos transformadores.
O transístor é uma peça chave do circuito. Constituído por um semicondutor com 3 terminais,
o emissor, a base e o coletor, no caso são respetivamente negativo, positivo e negativo. Sendo que as
regiões negativas são feitas de um semicondutor misturado com um elemento que tem um eletrão a
mais na camada de valência, para que formem bandas aumentando a banda de condução, podendo
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aumentar o número de eletrões, formando uma região negativa no transístor. Da mesma forma pode-
se misturar o semicondutor com um elemento com um eletrão a menos na camada de valência,
resultando em novos níveis recetores próximo a banda de valência, fazendo que o eletrão não passe
para a banda de condução e gerando uma região constituída maioritariamente por lacunas, formando
uma região positiva no transístor. O transístor permite o controle do fluxo de corrente ou do nível de
tensão, funcionando como uma chave controlada, gerando pulsos de corrente. Dependendo da
corrente aplicada na base controla a circulação de corrente do coletor para o emissor.
Figura 4: representação de um transístor NPN
Fonte: autoria própria
Para entender o funcionamento da mini bobina, podemos pensar em 3 instantes. O instante
zero é quando a bobina está com o interruptor aberto, ou seja, está desligada, não há passagem de
corrente elétrica e nem formação do campo magnético.
A partir do momento que se fecha o interruptor, passa para o primeiro instante, onde começa
a ter passagem de corrente elétrica no circuito. Quando a corrente chega ao ponto A, como mostra na
figura 4, o fluxo de corrente elétrica opta pelo caminho de menor resistência por isso começa a ter
um fluxo de corrente pela bobina primária e chegando ao transístor pelo coletor, enquanto isso
também há um tanto de fluxo passando pela resistência e chegando ao transístor pela base, gerando
uma corrente de sentido contrário na bobina primária, produzindo uma oscilação da corrente,
transformando a corrente contínua em uma corrente alternada.
Como há movimento da corrente elétrica na bobina primária, induz a formação de um campo
magnético. E pelo fato de passar uma corrente alternada causa uma oscilação nesse campo magnético,
como um eletroíman. A bobina secundária, que tem uma alta resistência, é induzida um campo
elétrico pelo campo magnético da bobina primária, formando uma força eletromotriz com uma zona
positiva e outra zona negativa, perto de cada extremidade da bobina, seguindo a lei de Lenz. O valor
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da força eletromotriz é proporcional ao número de espiras da bobina, resultando em um aumento do
campo elétrico, mas diminuindo a corrente elétrica.
No segundo instante, na bobina secundária, como descrito pela lei de Lenz, aumenta a tensão
elétrica e os eletrões começam a passa pela bobina secundária e buscam sair pela extremidade solta,
gerando um fluxo de corrente. Isso causa um desvio de eletrões da base do transístor para suprir essa
diferença. Gerando uma queda do transístor, ou seja, aumenta a área desprovida de cargas livres nas
junções do transístor, causando um corte. Com isso há uma baixa de corrente na primeira bobina, que
diminui seu campo magnético, gerando uma diminuição do fluxo de corrente para a bobina secundária
até que chegue a zero. Nesse momento volta ao primeiro instante, que logo chega ao segundo instante
e ocorre isso constantemente, levando o transístor a uma alternação constante entre o estado de
saturação e o estado de corte.
Quando se aproxima uma lâmpada fluorescente à bobina, o campo magnético gerado pela
mini bobina de Tesla, induz uma diferença de potencial na lâmpada. Essa diferença de potencial,
induz a ionização do gás do interior da lâmpada, resultando em uma excitação dos eletrões e
consequentemente numa liberação de fotões, acendendo a lâmpada sem ter contato. A luz se torna
mais intensa com a proximidade da lâmpada à bobina secundária, por estar se aproximando da origem
do campo magnético. Em outras palavras, pela alta voltagem, o gás da lâmpada fluorescente se torna
um condutor, criando iões positivos e os eletrões tendem a mover em direção ao catião. Com o
movimento das partículas, os iões chocam entre si e como consequência há liberação de eletrões que
provocam a ionização de novos átomos. Quando os eletrões voltam ao estado fundamental emitem
radiação eletromagnética, luz.
Enquadramento didático-curricular
A atividade foi proposta para o 10º ano, mas muitos conceitos só seriam vistos em aula no 11º
ano, por isso a atividade teria um enquadramento mais qualitativo, estimulando uma curiosidade
sobre o eletromagnetismo.
O conteúdo se adequa com os documentos curriculares de referência de Física e Química A
da Direção-geral da Educação para o 10º e 11º anos, tanto no Programa de Física e Química A - 10.º
e 11.º anos - Curso científico-humanístico de Ciências e Tecnologia, nas Metas curriculares e nas
Aprendizagens Essenciais.
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Na Física 10º ano se enquadra no domínio “Energia e fenómenos elétricos”, em que são
ensinados os circuitos elétricos, grandezas elétricas, corrente contínua e corrente alternada, bem como
a interpretação e distinção das grandezas elétricas.
Já na Física 11º ano, o conteúdo de eletromagnetismo é aprofundado e fenómenos associados
são estudados no domínio “Eletromagnetismo”. Do conteúdo programático do 11º ano constam os
campos elétricos e magnéticos, a lei de Faraday, os conceitos de gerador e transformador.
Apesar da teoria subjacente à bobina de Tesla e do seu funcionamento estar nos documentos
curriculares, não há uma atividade laboratorial proposta sobre eletromagnetismo nesses documentos.
Ressalto a importância da atividade experimental para a compreensão de conceitos abstratos no
ensino da Física e para motivar o estudo da disciplina.
Proposta de prática em contexto escolar
Com o objetivo de propor estratégias de ensino inovadoras e estimulantes, este trabalho
consiste na elaboração de uma atividade experimental e demonstrativa com alunos voluntários do 10º
ano do ensino secundário para exposição no dia do Laboratório Aberto (figura 5) a alunos do 9º ano
do ensino básico da Escola Secundária Inês de Castro, que seria executado no último dia do segundo
período de aula. Entretanto, o trabalho foi impossibilitado de ser realizado com os alunos devido a
pandemia de Covid-19, por isso segue uma proposta de prática em terreno escolar.
Figura 5: Divulgação do Laboratório Aberto do ano anterior
Fonte: disponibilizada pela professora Ana Sofia Armelim da Escola Secundária Inês de Castro
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Foi selecionada para a atividade a construção de uma mini bobina de Tesla, que ficaria em
demonstração experimental, sendo utilizada para acender uma lâmpada fluorescente, mostrando o
fenómeno que Tesla propunha na tentativa de transmitir energia elétrica sem fios e detetando as ondas
eletromagnéticas. Apesar da escala reduzida, a técnica é a mesma para acender lâmpadas de néon e
globos de plasma. Demonstrado com a lâmpada fluorescente no Apêndice 1.
Como recurso didático permite uma discussão dos principais conceitos do eletromagnetismo,
que de forma lúdica seria explicada pelos alunos do 10ºano para os alunos do 9ºano.
Figura 6: Aplicação da mini bobina de Tesla em uma lãmpada fluorescente
Fonte: autoria própria
Também pode ser utilizada para demonstração do efeito da blindagem eletromagnética,
também conhecida como gaiola de Faraday. Utilizando uma rede metálica para constatar que quando
a lâmpada está dentro desta rede, não acende. Pode ser utilizada qualquer caixa metálica que seja
maior do que a lâmpada, reutilizando algo que tenha disponível na escola ou em casa, como por
exemplo uma lata de biscoitos. Demonstrado no Apêndice 2.
Figura 7: Exemplo de blindagem eletromagnética
Fonte: autoria própria
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Construção da mini bobina de Tesla
Para a construção da mini bobina de Tesla é necessário:
1. Fio de cobre esmaltado de 1,2mm de espessura,
2. Fio de cobre esmaltado 60/40,
3. Cano ou rolo de papel,
4. Resistor 22kΩ,
5. Transístor 2N 2222A,
6. Interruptor,
7. Bateria 9V com conector,
8. Caixinha,
9. Lâmpada fluorescente,
10. Solda e cola-quente.
Figura 8: Materiais para construção da mini bobina de Tesla
Fonte: autoria própria
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Para construir a mini bobina de Tesla foi utilizado o circuito representado na figura 3, que
também está representado na figura 10 de forma mais didática. Para fazer a bobina secundária, foi
feito um furo em cada ponta do rolo de papel (reutilizado), depois inserido o fio de cobre esmaltado
60/40 em um furo, com certa de 10 cm de fora, e enrolado até chegar ao outro furo. Essa é a parte
que demanda mais tempo, pois é preciso fazer com o cuidado para o fio não se sobrepor.
Em seguida foi feita a bobina primária com o fio de cobre esmaltado de 1,2mm, dando 3 voltas
um pouco mais largas do que o diâmetro da bobina secundária para poder colocar em sua volta sem
tocar, deixando cerca de 3 cm para cada ponta.
Foram feitos 3 furos na tampa da caixinha, dois para as extremidades da bobina primária e um
para o fio da bobina secundária. Também foi feita uma abertura na lateral para o encaixe do
interruptor. Após encaixar as bobinas, foram colocadas com cola quente para fixar e depois foi
encaixado o interruptor na lateral.
Para finalizar foram feitas as ligações seguindo o circuito, utilizando a solda. Para uma melhor
aparência e também uma fácil visualização, o circuito foi guardado na caixinha.
Não é necessário que os fios tenham esta medida exata, mas é importante que o fio da bobina
secundária seja o mais fino possível para ter uma maior quantidade de voltas sem ter uma grande
altura. Também pode-se utilizar um cano de PVC ou qualquer outro material cilíndrico no lugar do
rolo de papel. A caixinha de madeira também não é essencial, pode-se escolher que o circuito fique
visível, ou uma caixa de acrílico, papelão, entre outros materiais que sirvam de suporte. Sublinho
que todo o material necessário para construção é de baixo custo, e fácil de ser encontrado em lojas de
eletrónica.
Figura 9: Modelo da mini bobina de Tesla
Fonte: autoria própria
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Figura 10: Circuito didático da mini bobina de Tesla
Fonte: https://thebeakerlife.com/mini-tesla-coil-bee1f930fd78
Roteiro da atividade
Para a montagem da mini bobina e para a compreensão de seu funcionamento seriam
utilizadas 4 horas/aula no laboratório. Como no final do segundo período do 10º ano ainda não
aprenderam os conceitos sobre eletricidade, que são vistos no terceiro período, o uso do contexto
histórico no desenvolvimento da eletricidade seria utilizado para introduzir a atividade.
A aula abordaria a eletricidade e seus avanços de forma sucinta e focaria nas descobertas mais
importantes desde Tales de Mileto, passando pelos grandes cientistas do começo do século XIX e
seus progressos. Até chegar no final do século XIX, na época da conhecida “Batalha das Correntes”
(figura 11) na qual Nikola Tesla, com a corrente alternada, e Thomas Edison, com a corrente contínua,
disputavam para defender e desenvolver cada corrente respetivamente. A explicação ressaltaria que
a ciência não é feita de grandes gênios, mas sim de uma construção coletiva do conhecimento, com
erros e acertos.
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Figura 11: Ilustração da Batalha das Correntes
Fonte: https://www.davidjkent-writer.com/2017/03/13/tesla-and-edison-the-war-is-lost/
Após os alunos estarem familiarizados com algumas denominações e conceitos da
eletricidade, seria apresentado o circuito para a montagem da mini bobina de Tesla, figura 3 e figura
10, projetando no quadro e os materiais necessários para tal seriam disponibilizados para a montagem
em pequenos grupos. A montagem das bobinas e do circuito seria feita com o auxílio da professora.
O material necessário para a montagem da mini bobina pode ser adquirido por um baixo custo
em loja de eletrónica. Depois dos modelos da mini bobina de Tesla estarem prontos, cada grupo iria
testar se acende ou não uma lâmpada fluorescente. Após a confirmação da lâmpada acender e se
intensificar com a proximidade da bobina, iriam testar a gaiola de Faraday.
Seguidamente, pretende-se entregar uma ficha de trabalho com algumas questões relacionadas
com a mini bobina de Tesla, com a possibilidade de discussão dentro dos pequenos grupos para
formular as respostas da ficha. Logo depois, haveria uma discussão generalizada sobre as respostas
para que haja um consenso entre os alunos e que todos entendam, com o intuito de explicarem
qualitativamente como a bobina funciona para os alunos do 9º ano no dia do Laboratório Aberto.
Com questões como: “Qual a diferença entre corrente contínua e corrente alternada?”; “O que é a
bobina de Tesla?”; “Como a lâmpada acende sem ter contato com a bobina?” e “Por que varia a
intensidade luminosa da lâmpada quando varia a distância da bobina?”. A ficha de trabalho está no
Apêndice 3.
Para auxiliar na explicação e na visualização do princípio da Lei de Faraday, onde a corrente
alternada gera um campo magnético variável, que pode induzir a formação de um campo elétrico,
será utilizada uma simulação do PhET – “Laboratório de Eletromagnetismo” nas funções
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“Eletromagnetismo” e “Transformador” (figura 12). Salientando a diferença que na mini bobina de
Tesla não há o contato físico da lâmpada com a bobina, mas há a variação do campo magnético. Para
o auxílio da demonstração da simulação está no Apêndice 4 um roteiro de exploração da simulação.
Figura 12: Simulação “Laboratório de Eletromagnetismo” do PhET
Fonte: https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/faraday
Conclusões
Foi apresentada uma proposta didática para complementar o ensino de Eletromagnetismo,
com uma atividade experimental na construção de uma mini bobina de Tesla e o uso para acender
uma lâmpada fluorescente. Com o intuito de acrescentar uma atividade prática para conceitos
previstos pela Direção-geral da Educação para o Ensino Secundário.
Com a abordagem experimental do ensino de eletromagnetismo é suposto inspirar os alunos,
provocando um espírito investigativo e uma participação na construção dos conceitos utilizados para
entender o funcionamento da mini bobina. Do mesmo modo, ressalto que há uma abordagem
histórico-filosófica sobre o Tesla e seu contributo para a evolução do eletromagnetismo que auxilia
na compreensão de tais conceitos, como também traz a temática sobre a construção da ciência.
O experimento tem uma alta capacidade de reprodução, independente do ambiente escolar,
por ser uma atividade que necessita de recursos de baixo custo, por vezes reutilizado, e por ser de
fácil montagem. Infelizmente foi impossibilitada de ser implementada com os alunos durante o ano
letivo 2019/2020, devido a pandemia relacionada com a Covid-19.
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Referências bibliográficas:
Halliday, Resnick. (2008). Fundamentos de Física – Eletromagnetismo, Vol. 3. Rio de Janeiro: Livros
Técnicos e Científicos Editora Ltda.
Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. (2005). Física 3: Eletromagnetismo. São Paulo: Editora
da Universidade de São Paulo.
Duarte, I. (2019). Geração e detecção de campos eletromagnéticos por meio da bobina de Tesla:
uma proposta de ensino a partir de organizadores avançados ausebelianos. Brasília: UnB.
Chiquito, A., Lanciotti Jr., F. (2000). Bobina de Tesla: dos circuitos ressonantes LC aos princípios
das telecomunicações. Revista Brasileira de Ensino de Física. 22, 1.
Resistor. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Resistor.
Centelhador. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Centelhador.
Transístor. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Trans%C3%ADstor.
Manual do mundo. (s.d.). Faça uma mini bobina de Tesla Caseira – Manual do Mundo. Disponível
em: https://www.youtube.com/watch?v=w2bZGKNwB4Y.
PhET. Laboratório de Eletromagnetismo. Disponível em:
https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/faraday
Direção-geral de Educação. Documentos curriculares. Disponível em:
http://www.dge.mec.pt/fisica-e-quimica-0
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Apêndice 1: vídeo – demonstração: mini bobina de Tesla acendendo a lâmpada fluorescente
https://youtu.be/958_8nIXSAU
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Apêndice 2: vídeo – demonstração: mini bobina de Tesla e a gaiola de Faraday
https://youtu.be/iCKWlqU7Nqk
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Apêndice 3: Ficha de trabalho
Física e Química A – 10º ano Ficha de trabalho
Nome: ______________________________________________ Turma: _____ nº: ______
Mini bobina de Tesla
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Material Procedimento
• Fio de cobre esmaltado de 1,2mm de espessura,
• Fio de cobre esmaltado 60/40,
• Transístor 2N 2222A,
• Resistor 22kΩ,
• Interruptor,
• Bateria 9V com conector,
• Cano ou rolo de papel,
• Caixinha,
• Lâmpada fluorescente,
• Solda e cola-quente,
• Lixa.
1. Construir a bobina secundária: furar o rolo perto de cada extremidade, deixar cerca de 10cm do fio do lado de dentro e passando pelo furo enrolar o fio de cobre fino na parte de fora do rolo, com o cuidado para não sobrepor e não ter espaço, até o próximo furo e deixar cerca de 10cm sobrando para dentro do furo.
2. Construir a bobina primária: dar 3 voltas no fio de cobre mais grosso de forma a ficar um pouco mais largo do que a bobina secundária, deixando cerca de 3cm para cada ponta.
3. Lixar as pontas dos fios da bobina, de modo a tirar o esmalte do fio. 4. Encaixar as bobinas nos furos da tampa da caixinha e colar com cola
quente para fixar. 5. Encaixar o interruptor no furo lateral da caixinha. 6. Montar o circuito da mini bobina como mostra na figura acima, soldando
as ligações entre os fios, COM MUITO CUIDADO COM A SOLDA, deixando o interruptor e as bobinas por último.
7. Terminar de montar o circuito ligando ao interruptor e as bobinas, já dentro da caixinha.
8. Testar.
Observações:
Questões:
1- Qual a diferença entre corrente contínua e corrente alternada?
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2- O que é a bobina de Tesla?
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3- Como a lâmpada acende sem ter contato com a bobina?
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4- Por que varia a intensidade luminosa da lâmpada quando varia a distância da bobina?
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Apêndice 4: Roteiro de exploração da simulação “Laboratório de Eletromagnetismo”
ROTEIRO DE EXPLORAÇÃO DA SIMULAÇÃO
“LABORATÓRIO DE ELETROMAGNETISMO”
A simulação será utilizada para demonstração pelo professor em sala de aula, projetando a tela no quadro.
Link da simulação: https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/faraday
Funcionalidades:
Na barra superior da simulação pode-se escolher entre cinco opções diferentes.
Para Eletromagnetismo
No menu lateral direito pode-se
• Alterar entre corrente contínua (DC) e corrente alternada (AC).
• Alterar a quantidade de voltas da bobina (entre 1 e 4 voltas).
• Escolher o que fica visível: campo magnético; bússola; medidor de campo e eletrões.
Na barra inferior pode-se pausar ou dar ‘play’, e quando pausado pode passar quadro por quadro.
Para Transformador
No menu lateral direito, do Transformador, pode-se
• Alterar entre corrente contínua (DC) e corrente alternada (AC).
• Alterar a quantidade de voltas das bobinas (entre 1 e 4 voltas).
• Escolher o que fica visível: campo magnético; bússola; medidor de campo e eletrões.
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• Escolher entre uma lâmpada e um voltímetro como indicador da segunda bobina.
• Escolher a percentagem do tamanho da bobina secundária em relação ao tamanho da primária.
Na barra inferior pode-se pausar ou dar ‘play’, e quando pausado pode passar quadro por quadro.
Demonstrações:
1. Eletromagnetismo: corrente contínua DC, 0V – não há corrente elétrica, sem fluxo de eletrões.
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2. Eletromagnetismo: corrente contínua DC, 10V, bobina com 4 voltas – a corrente elétrica que passa
na bobina induz um campo magnético a sua volta.
3. Eletromagnetismo: corrente contínua DC, 10V, uma volta de fio – passagem de corrente elétrica,
induz o campo magnético.
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4. Eletromagnetismo: corrente alternada AC, sem corrente elétrica – não há movimento de eletrões.
5. Eletromagnetismo: corrente alternada AC, com passagem de corrente elétrica – a corrente
alternada induz um campo magnético, em movimento no tempo, como descrito pela lei de Faraday.
Consegue-se perceber pela variação do sentido da bússola e dos indicadores do campo magnético.
Quando a corrente está positiva, o campo magnético está em uma direção, quando ela está
negativa, o campo magnético está no sentido contrário.
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6. Eletromagnetismo: corrente alternada AC, com corrente elétrica nula – no breve instante, entre a
corrente positiva e negativa, em que não há corrente elétrica, também não há campo magnético.
✓ Nas demonstrações do Transformador ressaltar que é diferente da mini bobina de Tesla porque na mini
bobina a lâmpada não está conectada.
7. Transformador: corrente contínua DC, 10V – há corrente elétrica, que induz um campo magnético
fixo no tempo, esse campo magnético não induz um campo elétrico na segunda bobina por isso a
lâmpada não acende.
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8. Transformador: corrente alternada AC, com corrente elétrica – como visto no “Eletromagnetismo” a
corrente alternada induz um campo magnético que varia no tempo, esse campo induz um campo
elétrico na segunda bobina, na qual estabelece uma corrente elétrica capaz de acender a lâmpada.
9. Transformador: corrente alternada AC, alteração na quantidade de voltas da bobina primária –
verifica-se o aumento da quantidade de picos de intensidade de luz por tempo na lâmpada com o
aumento de voltas da bobina ligada a corrente.